水轮发电机结构介绍-DEC

伞（半伞）式结构在大型水轮发电机中越来 越显示出它的优越性。一般采用此种结构，发电 机转子可以设计成分段轴结构（即所谓的“无轴 ”结构）。这种结构的最大优点是，可以解决由 于机组大而引起的大型铸锻件问题。同时也可以 减轻转子起吊重量和降低起吊高度，从而降低电 站厂房高度，给电站建设带来一定的经济性。此 外，这种结构对一些发电机设计成推力头与大轴 为一体，便于一次加工，既保证了推力头与大轴 之间的垂直度，同时又消除了推力头与大轴之间 的配合间隙，免去镜板与推力头配合面的刮研和 加垫，给安装调整以及找摆度带来方便。伞（半 伞）式结构的另一个优点是，可以减轻定子和负 重机架的重量，从而可减轻发电机重量，但因其 推力轴承直径较大，故其轴承损耗比悬式的大。
内冷却水轮发电机有二种，一种是采用水冷却，即将经过处理的冷却水通入定子和转子 线圈的空心导线内部，直接带走电机产生的损耗进行冷却。定、转子线圈都进行水冷却的 电机称之双水内冷水轮发电机。由于该种冷却方式转子设计制造技术比较复杂，一般不采 用。目前，大容量水轮发电机都采用定子线圈水冷却，发电机转子为空气通风冷却，故称 之为半水冷水轮发电机。
典型叠片磁轭
1一磁轭冲片；一2通风槽片；3 一挡风板；4一上磁轭压板；
5一磁轭拉紧螺栓；6一下磁轭 压板；7一制动环
机架
机架是立轴水轮发电机安置推力轴承、导轴 承、制动器及水轮机受油器的支撑部件，是 水轮发电机较为重要的结构件。
机架由中心体和支臂组成，一般采用钢板焊 接结构，中心体为圆盘形式，支臂大多为工 字梁形式。机架结构形式主要有三种：辐射 型、多边(八卦)型、斜支臂型。
2. 对三相绕组，要求各相的电动势和磁动势 对称；绕组的电阻、电抗要求平衡。
3. 绕组结构要求简单、省铜，绕组铜耗要小。
4. 绕组绝缘要可靠，机械强度、散热条件要 好，制造简单、方便。
5. 常用的定子绕组形式有以下三种：
大、中型水轮发电机定子绕组通常都采用单匝条式线棒。线 棒是由许多并联的股线组成，一般股线都选用厚度较薄的铜带 ，目的是将股线中的附加损耗降低到可以接受的范围内。这些 并联的股线在线棒的两端连接处是焊在一起的，由于漏磁场的 作用，在各并联的股线(支路)间不可避免地出现了循环电流及 其损耗。为了减少这种环流损耗，必须给这些并联股线(支路) 以某种方式的换位。
三相绕组由绝缘导线绕制而成，均匀地分布 于铁芯内圆齿槽中。
三相绕组接成Y形，它的作用是当转子磁极 旋转时，定子绕组切割磁力线而感应出电势。
定子绕组的构成，主要是从设计制造和运行 两方面Hale Waihona Puke Baidu虑。绕组的型式虽然有所不同，但 其构成原则是相同的。
绕组
定子绕组的构成具体要求如下：
1. 合成电动势和合成磁动势的波形要求接近 于正弦，数量上力求获得较大的基波电动 势和基波磁动势。
按冷却方式分：可分为空气冷却和内冷却两种 。
利用空气循环来冷却水轮发电机内部所产生的热量，这种冷却方式称之为空气冷却。空 气冷却水轮发电机一般又分为三种类型：封闭式、开启式和空调冷却式。目前大、中型水 轮发电机多数采用封闭式，小型水轮发电机采用开启式通风冷却。空调冷却式现在很少采 用，仅在一些特殊条件下才采用。
图3.2-10
图3.2-11 发电机磁拉力与气隙偏心关系 图中： e0—转子原始偏心值 e1—转子运行后的偏心值 Fem—发电机运行的磁拉力
定子叠片加固
水轮发电机转子结构
水轮发电机的转子是转换能量和传递转矩的 主要部件，一般由主轴、转子支架、磁轭、 磁极等部件组成。
立轴水轮发电机转子结构
主轴
二维计算模型及剖分 空载磁力线
空载磁密云图
空载磁密云图
水轮发电机定子结构
水轮发电机定子主要由机座、铁芯和三 相绕组线圈等组成。
铁芯固定在机座上。 三相绕组线圈嵌装在铁芯的齿槽内。 发电机定子机座、铁芯和三相绕组统一体
统称为发电机的定子，也称为电枢。
线圈
铁心
机座
1一铜排引线；2一定子绕组；3一端箍；4一碟形弹簧；5一上齿压板；6一上压指 ；7一机座；8一拉紧螺栓；9一定子铁心； 10一槽楔；11一下压指；12一大齿压 板；13一绝缘盒；14一引出线；15一空气冷却器；16一基础板；17一基础螺栓
水轮发电机基本理论及研究方向
对于水轮发电机，电机电磁场、通风冷却、推力轴承、大部件 刚强度及振动等方面的问题，即是水轮发电机设计首先要面对的问 题，又是关系到机组性能最重要的问题。
电机电磁场 电机是一种将能量或信号进行变换的电磁装置。从物理学中知 道，当导体在磁场内作切割磁力线运动时，在导体内会产生感应电 势；反之，带电导体在磁场内会受到力的作用。这就是电磁感应定 律和电磁力定律，电机就是依据这两个基本原理进行工作的。
水轮发电机的主要作用
将水轮机旋转的机械能最终转换成电能，其结 构与性能的好坏对电站的安全、稳定、高效运 行起着致关重要的作用。
水轮发电机组成
主要由定子、转子、机架、推力轴承、导轴承、 冷却器、制动器等部件组成。
水轮发电机的特点
凸极式转子，极数多，直径大，轴向长度短， 整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。定 子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的 需要，定子铁心中留有径向通风沟。转子磁极 由厚度为1～2mm的钢片叠成；磁极两端有磁 极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。 磁极与磁极轭部采用 T 形或鸽尾形连接。
立轴水轮发电机定子结构
机座
定子机座一般呈圆形，小容量水轮发电 机多数采用铸铁整圆机座，也有采用钢 板焊接的箱形结构；容量较大的水轮发 电机的机座由钢板制成的壁、环、立筋 及合缝板等零件焊接组装而成。
机座应有足够的刚度，同时还应能适应 铁心的热变形。
铁芯
定子铁芯是定子的一个重要部件，由扇形冲 片、通风槽片、定位筋、齿压板，拉紧螺杆 及固定片等零部件装压而成。
水轮发电机组的型式
按布置方式分：可分为卧式和立式两种。
卧式水轮发电机适合中小型、贯流及冲击式水轮机。 一般低、中速的大、中型机组多采用立式发电机。
按推力轴承位置分：立式发电机又分为悬式和 伞式两种。
推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机， 它适用于转速在200r/min以上。
推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机， 无上导的称为全伞式，有上导的称为半伞式，它适 用于转速在200r/min以下。
悬式（a）、（b）、伞(半伞)式（c）、（d） 1一上导轴承；2一推力轴承；3一上机架；4一下导轴承
5一下机架；6一水轮机导轴承
悬式结构适用于高中速水轮发电机组，其 优点是机组径向机械稳定性好，推力轴承损耗 较小，维护检修方便。如选用取消下导轴承和 下机架的结构型式，使发电机的高度降低，从 而减轻发电机重量和电站厂房高度，具有一定 的经济性。但是大型水轮发电机如选用悬式结 构，其上机架为负重机架，承受总的推力，并 置于定子机座上。因此，要求定子机座要有足 够的刚度，以承受此负荷时不致变形。上个世 纪50年代，悬式结构曾被广泛地应用，由于成 本高，现在只用于转速较高的水轮发电机。
内冷却的另一种方式为蒸发冷却方式：即将冷却介质（液态）通入定子空心铜线，通过 液态介质的蒸发，利用汽化热传输热量进行电机冷却。该种冷却技术是我国自主知识产权 的一项新型冷却方式，目前处于领先地位。
按水轮发电机功能不同: 可分为常规水轮发电机和 蓄能式水轮发电机两种。
常规水轮发电机为一般同步发电机；蓄能式水轮发电机用于蓄能电站，这种电机具有两 种功能，即可作为发电机发出电能供给电力系统，又可以作为电动机拖动水泵，将下游水 库的水抽回到上游蓄水库，在此种情况下，它的转动方向与发电机运行时相反，为了配合 水轮机作水泵运行，它要求有较高的转速。
磁极铁芯分实心和叠片两种结构。
中、小容量高转速水轮发电机的转子，常采用 实心磁极结构，整体锻造或铸造而成。转速大 于或等于750r／min的小型水轮发电机，常采用 磁极铁芯连同转子的磁轭与主轴整体锻造加工。
磁极固定方式通常采用螺钉、T尾和鸽尾结构。
磁极
磁极按极身截面几何形状可分为矩形磁极和梯 形(向心)磁极。
主轴的作用是用来传递扭矩，应具有一定 的强度和刚度。
主轴一般由35号、40号、45号或20SiMn等 钢整锻而成。
小容量水轮发电机一般采用整锻实心轴， 也有的采用无缝钢管作为轴；大、中型容 量的发电机采用整锻空心轴。
磁极
磁极是提供励磁磁场的磁感应部件，由磁极铁 芯，线圈，上、下托板，极身绝缘，阻尼绕组 及钢垫板等零部件组成。
定子铁芯的作用是：作为磁路的主要组成部 分，为发电机提供磁阻很小的磁路，以通过 发电机所需要的磁通，并用以固定绕组。
通常引起定子铁心振动的原因有：分数槽绕 组次谐波磁动势和主磁场相互作用；定、转 子不同心；分瓣定子合缝处的松动；铁心装 压不紧等。
绕组
定子绕组是构成发电机的主要部件，属于发 电机的导电元件，也是发电机产生电磁作用 必不可少的零件。
磁轭与转子支架
转子支架同时也是通风系统的一个压头元件。正常 运行时，转子支架承受扭矩、磁极和磁轭的重力、 自身的离心力以及热打键(热加垫)径向配合力。
转子支架一般采用辐射式圆盘转子支架或斜支撑圆 盘式。圆盘式转子支架具有刚度大、传递扭矩大和 通风损耗小等优点，目前被广泛采用。斜支撑的转 子支架相对于直支臂型式，能更好地承受正常运行 时的扭矩、磁极和磁轭的重力矩；能有效地吸收离 心力、热膨胀力和热打键配合力；有足够的切向和 轴向刚度，可避免不应有的变形，保证磁轭与磁极 对中以及气隙的均匀度。
发电机的设计过程中，电磁方案设计是一个十分重要的基础 环节，它直接决定了发电机的整体结构和性能参数。在水轮发 电机的设计过程中，长期采用解析法推导的公式进行分析计算 。随着电脑技术与有限元计算技术的迅速发展，采用有限元计 算更能够真实地反映各种复杂特殊形状的磁路几何尺寸、材料 的非线性特质、以及机内的电、磁、力及运动等多物理场间复 杂的耦合作用，更客观地再现电机运行状态，有助于我们对电 机性能进行更精确的把握，对电机设计参数优化选择，最终提 高水轮发电机的设计质量和性能指标。
机架按其所处的位置分为上、下机架，按承 载性质分为负荷机架和非负荷机架 。
推力轴承
推力轴承的组成和作用
推力轴承是应用液体润滑承载原理的机械结构部件， 主要由轴承座及支承、轴瓦、镜板、推力头、油槽及 冷却装置等部件组成。
其主要作用是承受立轴水轮发电机组转动部分全部重 量及水推力等负荷，并将这些负荷传给负荷机架。
东方电气
DONGFANG ELECTRIC
东方电机有限公司
DONGFANG ELECTRIC MACHINERY CO. LTD
水轮发电机结构介绍
2006-8-9
1
三峡电站
2
杰瑞电站
巴西杰瑞SFWG75-84/9600 溪洛渡SF770-48/15260
沙湾SF113-78/13200
抽水蓄能
概述
矩形磁极的磁极绕组，在运行时产生的离心力 可分解出一个侧向分量。为使此分量等于或接 近于零，可采用向心磁极(使磁极绕组向心布置) 其优点是：不需设极间支撑，便于安装检修且 有利于轴向通风。故高转速、大容量发电机(含 发电电动机)广泛采用向心磁极。
磁轭与转子支架
磁轭的作用是构成磁路并固定磁极。
转子支架的作用是连接磁轭和转轴的部件。
图3.2-9
.集中绕组的设计 大多数大型水轮发电机都是采用波绕组连接，其优点是：接线简单美观， 连接线少。每条支路的路径通过绕组的自然连接分布定子全圆周，又称为分 布绕组(见图3.2-9)。而叠绕组却连接成集中绕组，它的每条支路集中在圆周的 一个独立区域内(见图3.2-10)。
集中绕组每条支路局部分布，由于转子偏心的存在，每知支路感应 的电势略有差别，这使得支路间产生微小的环流。该电流将产生一个力，阻止 磁通的变化，也就阻止转子的进一步偏心。在理论上被称为发电机电磁刚度的 下降，见图3.2-11
对于定子铁芯外径小于325cm的中小容量的水 轮发电机，磁轭可用铸钢或整圆的厚钢板制造， 不需要专门的转子支架。整体磁轭一般通过键 或热套等方式与转轴连成一体。
对于定子铁芯外径较大的水轮发电机，采用扇 形片交错叠成并用拉紧螺栓紧固成 一体的叠片 磁轭。通过热打键与转子支架相连接。
磁轭的外缘加工有T尾、鸽尾槽或螺孔，用以 固定磁极。